用於密封渦輪組件的設備和方法與流程
2023-11-02 09:21:43
本文公開的主題涉及密封組件的設備和方法。特別地，設備和方法涉及沿著渦輪組件的兩個構件之間的分離線提供密封件。
背景技術：
由於諸如製造簡單或維護需要的考慮，可將功率裝置組件的構件分成子構件，以可移除的方式將它們彼此連結。在子構件彼此接近或接觸且可彼此分開的位置形成所謂的分離線，並且其可包括設置在各構件之間的密封件。當存在與子構件有關的壓差，即從內部到外部的壓差，從外部到內部的壓差，或者在子構件內的壓差時，如果分離線未得到充分密封的話，壓差可能趨向於產生穿過分離線的流。
如果子構件在工作中遇到溫度變化或溫度梯度，則在分離線上提供密封可能是有挑戰的。例如，如果子構件具有幾百華氏度或者甚至幾千華氏度的工作溫度，則在子構件達到工作溫度時，子構件可經歷相當大的熱膨脹。這可引起沿著分離線的尺寸變化，而且在子構件過渡到工作溫度時，這樣的尺寸變化可損害沿著分離線的任何密封件的特性。即使一旦子構件達到穩定狀態或半穩定狀態工作溫度，沿著分離線的溫度梯度也可使密封件沿著溫度梯度具有不同的密封特性。即使沿著分離線的小尺寸變化也可導緻密封性能有相當大的變化，使得密封件變得不確定，因為密封件的尺寸變化可能使得預測構件在哪裡彼此接觸，以及/或者構件在哪裡接觸密封件是困難的。
不同的密封件特性在效率特別重要的渦輪中可能是特別得到關注的。例如，儘管洩漏可得到解決或者甚至是合乎需要的，但能夠對洩漏進行建模或預測對於控制或測量渦輪的性能是有用的。可包括這種分離線和/或密封件的特定構件是渦輪中的擴散器。
技術實現要素：
用於密封本文描述的渦輪組件的設備和方法的各方面對與現有技術相關聯的一個或多個問題或缺點提供解決方案。
在一個示例性但非限制性方面，本公開涉及一種渦輪系統，包括：壓縮機區段；燃燒區段；渦輪區段；擴散器，其在擴散器的兩個構件之間有分離線；以及沿著分離線的密封件。密封件包括突出部分、凹陷部分和在突出部分和凹陷部分之間的柔性部分。當垂直於分離線看時，柔性部分具有彎曲橫截面。彎曲橫截面的外表面接觸凹陷部分的內表面，並且彎曲橫截面的內表面接觸突出部分的外表面。
在另一個示例性但非限制性方面，本公開涉及一種功率裝置，包括：渦輪系統；機械負載或電氣負載；入口系統；以及控制系統。渦輪系統包括：壓縮機區段；燃燒區段；渦輪區段；擴散器，其在擴散器的兩個構件之間有分離線；以及沿著分離線的密封件。密封件包括突出部分、凹陷部分和在突出部分和凹陷部分之間的柔性部分。當垂直於分離線看時，柔性部分具有彎曲橫截面，彎曲橫截面的外表面接觸凹陷部分的內表面，並且彎曲橫截面的內表面接觸突出部分的外表面。
在另一個示例性但非限制性方面，本公開涉及一種渦輪，包括第一擴散器構件；第二擴散器構件；在第一擴散器構件和第二擴散器構件之間的分離線；以及沿著分離線的密封件。密封件在橫截面上包括凸形部分、凹形部分和在凸形部分和凹形部分之間的柔性部分。當垂直於分離線看時，柔性部分具有彎曲橫截面，彎曲橫截面具有固定端和自由端，彎曲橫截面的外表面在自由端附近接觸凹形部分的內表面，並且彎曲橫截面的內表面在固定端附近接觸凸形部分的外表面。
附圖說明
圖1是渦輪發動機系統的示意圖；
圖2是渦輪發動機系統中的擴散器的局部橫截面；
圖3A是在擴散器的兩個構件匹配位置的分離線和相關聯的密封件的詳細視圖；
圖3B是圖3A的一部分的詳細視圖；
圖4是擴散器構件之間的分離線和密封件的橫截面圖；以及
圖5是密封件的柔性構件的獨立視圖。
具體實施方式
下面將對本發明的一個或多個具體實施例進行描述。為了致力於提供對這些實施例的簡明描述，可能不會在說明書中對實際實現的所有特徵進行描述。應當理解，當例如在任何工程或設計項目中開發任何這種實際實現時，必須作出許多對實現而言專有的決定來實現開發者的具體目標，例如符合與系統有關及與商業有關的約束，開發人員的具體目標可根據不同的實現彼此有所改變。此外，應當理解，這種開發工作可能是複雜和耗時的，但儘管如此，對具有本公開的益處的普通技術人員來說，這種開發工作將是設計、生產和製造的例行任務。
本文公開了詳細的示例實施例。但是，本文公開的具體結構和功能細節僅僅是代表性的，以便描述示例實施例。但是，本公開的實施例可體現為許多備選形式，並且不應理解為局限於本文闡述的實施例。
因此，雖然示例實施例能夠有各種修改和備選形式，但在圖中僅以示例的方式示出其實施例，並且將在本文詳細地描述其實施例。但應當理解的是，不意於將示例實施例局限於公開的特定形式，而是相反，示例實施例覆蓋落在本公開的範圍內的所有修改、等效物和備選方案。
本文所用的用語僅是為了描述特定實施例，並且不意於限制實例實施例。如本文所用，單數形式「一」、「一種」和「所述」意於也包括複數形式，除非上下文清楚地另有說明。當在本文中使用時，用語「包括」和/或「包含」規定了存在所陳述的特徵、整數、步驟、操作、元件和/或構件，但是不排除存在或增加一個或多個其它特徵、整數、步驟、操作、元件、構件和/或它們的組合。
雖然用語第一、第二、主要、輔助等可在本文用來描述各種元件，但這些元件不應受這些用語限制。這些用語僅僅用來區分一個元件與另一個元件。例如(但不限於)，第一元件可稱為第二元件，而且類似地，第二元件可稱為第一元件，而不偏離示例實施例的範圍。如本文所用，用語「和/或」包括一個或多個相關聯的所列項目的任何和所有組合。
在本文使用某些用語可僅僅是為了方便讀者，而且不應將其理解為限制本發明的範圍。例如，諸如「上」、「下」、「水平」、「豎直」、「上遊」、「下遊」、「前」、「後」等詞語僅僅描述圖中顯示的構造。實際上，本公開的實施例的元件或多個元件可按任何方向定向，因此用語應當理解為包含這樣的變型，除非另有規定。
如在說明書和權利要求中所使用的那樣，「基本」和「大約」至少包括相對於理想值或標稱值的在製造公差、工作公差和/或檢查公差之內的偏離。
本公開可應用於壓縮吸力空氣的各種各樣的燃氣渦輪發動機，諸如(但不限於)重型燃氣渦輪；航空衍生燃氣渦輪等等。本公開的實施例可應用於單個燃氣渦輪發動機或多個燃氣渦輪發動機。本公開的實施例可應用於在單個循環或聯合循環中工作的燃氣渦輪發動機。
圖1示出燃氣渦輪發動機10，其具有入口系統12。燃氣渦輪發動機10大體包括壓縮機14、具有燃燒室16的至少一個燃燒器和渦輪區段18。在基於陸地的燃氣渦輪中，渦輪區段18典型地驅動機械負載或電氣負載，諸如發電機20。壓縮機14設有入口，入口可包括多個入口導葉(未顯示)，它們布置在入口氣室22的下遊。渦輪區段18流通地連接到擴散器100上，擴散器100連接到熱回收蒸汽發生器32上。入口系統12大體包括雨水罩24，雨水罩24安裝到入口過濾間26的上遊端上。雨水罩24通過入口空氣導管28流通地連接到入口氣室22上。可提供控制系統30來控制燃氣渦輪發動機10的任何方面。燃氣渦輪發動機10可安裝成功率裝置的一部分。
圖2示出燃氣渦輪發動機10中的擴散器100的簡化局部橫截面。擴散器100的內部部分102允許擴散器100將速度轉換成壓力，即，對燃氣渦輪發動機10中的氣體流執行擴散功能。擴散器100的外部部分104提供用於冷卻流106的區域。提供冷卻流106是為了使外殼107保持低於最高工作溫度。例如，外殼107可由碳鋼製造而成，碳鋼具有大約600至700華氏度的最高容許工作溫度，而內部部分102可具有大約1200華氏度的高溫燃燒氣體。可提供冷卻流106，以允許外殼107在這樣的工作條件下工作。
外部部分104中的流體(例如，冷卻流106)可比內部部分102中的流體(例如，燃燒氣體)處於更高的壓力。例如，外部部分104中的流體可具有比內部部分102中的流體更高2psi和3psi之間的壓力。這種壓差將使流體從外部部分104流到內部部分102。實際上，有意在前排出孔110和後排出孔112處提供一些流。
圖3A提供朝向擴散器外殼108的外表面的視圖。如所示出的那樣，擴散器外殼108包括第一構件114(上部構件)和第二構件116(下部構件)，它們合在一起形成殼，殼形成擴散器100的外周。可提供任何數量的構件。為了簡單，描述了兩個構件。兩個構件可各自基本為擴散器100的180°。
第一構件114和第二構件116在分離線118處相遇，分離線118延伸通過擴散器108到達外部部分104，並且大體沿著燃氣渦輪發動機10的軸向方向或軸向流方向延伸。示出了分離線118是基本水平的，但這不應理解為限制性的。任何構造的分離線118者是適用的，包括例如周向分離線、豎向分離線、水平分離線、非筆直分離線或者它們的組合。由於形成密封組件120的構件的原因，分離線118的大部分在圖3A中是不可見的。
圖3B顯示圖3A的放大視圖，並且示出密封組件120的一部分。圖3A特別示出了兩個密封組件120，它們基本相同且彼此端對端地貼靠。
圖4示出密封組件120的橫截面。密封組件120包括插入到凹陷部分124中的突出部分122。示出了在突出部分122和凹陷部分124之間的柔性部分126。突出部分122和凹陷部分124可形成於兩個部件上，兩個部件基本彼此成鏡像而形成周向殼。突出部分122和凹陷部分124可由任何適當的材料形成。柔性部分126可由提供足夠的彈性和/或像彈簧一樣的作用的任何適當的材料製成。
突出部分122可包括外表面128，外表面128可為凸形和/或大體V形的。凹陷部分124可為凹形和/或大體U形和/或魚嘴形。突出部分122可為突舌，而凹陷部分124則可為凹槽。實際上，突出部分122和凹陷部分124可具有彼此互補且適應本公開的其它方面的任何形狀。在突出部分122和凹陷部分124之間提供間隙130。間隙130可允許突出部分122和凹陷部分124之間有製造公差。間隙130可允許突出部分122和凹陷部分124之間由於熱膨脹而有變化，如上面論述的那樣。熱膨脹可能是因為例如擴散器100的徑向熱膨脹引起的。外表面128可大體與柔性部分126的內表面互補。間隙130可為提供對於製造和/或熱負載引起的尺寸變化來說充分的空隙的任何距離。在示例中，間隙130基本介於0英寸和0.1英寸之間。在示例中，間隙130基本介於0.020英寸和0.080英寸之間。在示例中，間隙130基本介於0.040英寸和0.060英寸之間。隨著突出部分122和凹陷部分124熱膨脹，間隙130可變小或變大，這取決於諸如特定結構構造和/或溫度梯度的因素。
密封組件120可不設有柔性部分126。這種構造提供優於不包括突出部分122和凹陷部分124的分離線118(「筆直」分離線)的優點，因為突出部分122和凹陷部分124的互補構造允許因為熱膨脹而有一些尺寸變化，或者因為其它原因而有尺寸變化，同時仍然對「筆直」分離線提供良好的密封性能，因為突出部分122和凹陷部分124的互補形狀允許在熱膨脹和收縮期間至少在某種程度上在突出部分122和凹陷部分124之間保留接觸。
柔性部分126具有彎曲橫截面，它可基本為V形或U形。柔性部分126的第一端132可至少在一個點處接觸突出部分122的外表面，並且第一端132被示出為完全沿著突出部分122的面向內部部分102的第一側134接觸突出部分。柔性部分126可通過任何適當的手段保持就位。如圖4中示出的那樣，柔性部分126在第一側134處夾在突出部分122和凹陷部分124之間，使得突出部分122和凹陷部分124兩者都接觸柔性部分126。還示出了柔性部分126設置在突出部分122中的槽口或凹槽136內。凹槽136可提供抵抗柔性部分126移動的緊密配合(諸如壓配)，或者可提供允許柔性部分126在凹槽136內滑動的鬆弛配合。
雖然外表面128和柔性部分126具有相似形狀，但柔性部分126可為較大的V形或U形，使得當第一端132如上面描述的那樣受約束時，第二端138被偏壓遠離突出部分122的面向外部部分104的第二側140。第二端138可接觸凹陷部分124的內表面。關於這個構造，柔性部分126跨越間隙130，並且當穿過分離線118從外部部分104到內部部分102應用壓差時，允許較好地抵抗通過分離線118的流。由於應用了壓力時，壓力應用趨向於打開柔性部分126的V形或U形或使其變平，或者趨向於促使柔性部分126進入「不那麼彎曲」的狀態的力，並且改進密封。而且，通過以所示出和描述的方式接觸突出部分122和凹陷部分124，柔性部分126能夠在間隙130由於製造和/或熱膨脹而有尺寸變化的情況下彎曲。
由於包括柔性部分126，在柔性部分126和凹陷部分124的內表面和/或突出部分122的外表面之間產生的間隙可為0.0至0.004英寸，0.0至0.002英寸，或0.0至0.1英寸，或者提供充分密封的任何間隙。柔性部分126可彎曲、膨脹和/或壓縮，以儘可能最大程度地減小產生的間隙。
包括柔性部分126提供某些優點，因為密封組件120變得比無柔性部分126的密封組件更具有確定性。例如，柔性部分126在熱膨脹導致其變化的期間膨脹和收縮(通過變形)的能力允許沿著分離線118有更一致的密封。如果沒有柔性部分126，密封組件120密封的能力變得不那麼可預測和/或不那麼可靠。例如，如果密封組件120在較高的溫度下不能有效地密封，則由於壓力的原因，更多流體將流動穿過分離線118。這對渦輪的聯合循環效率可有不合需要的影響，因為例如比需要的更多的冷卻流體進入到擴散器100中，並且降低聯合循環效率。由於密封得到改進，可出現諸如減少冷卻流、減少流預測的不確定性和改進熱預測的好處。
圖5單獨示出柔性部分126。單獨示出柔性部分126更容易地顯示延伸的葉片142，或可設置在柔性部分126的一個或兩個端部上的柔性部分的彎曲橫截面的延伸部。
回到圖3B，延伸的葉片142可設置在其中省略了突出部分122和凹陷部分124的位置上。由於例如製造和/或維護考慮，在兩個基本相似的密封組件120彼此端對端地貼靠的位置可省略突出部分122和凹陷部分124的長度。而且，在單個密封組件120結束的位置，可省略突出部分122和凹陷部分124。在這些情形中，可提供延伸的葉片142來確保柔性部分126充分地延伸以覆蓋分離線118。如可在圖4中看到的那樣，在不包括延伸的葉片142的位置(在這個圖中的第二端138附近)，分離線118未被柔性部件覆蓋。在包括突出部分122和凹陷部分124的位置，省略延伸的葉片142可防止幹擾，同時仍然允許整體密封，在沒有突出部分122和凹陷部分124的情況下，延伸的葉片142不會引起幹擾，但覆蓋分離線118而形成密封。
雖然前述描述集中在擴散器的分離線上，但密封組件120可應用於具有分離線的任何構件。此外，分離線可為直的或彎曲的，而且可適用於任何密封件，並且在由於構件之間的相對運動(例如，構件的熱膨脹)而出現變化的情形中是特別有用的。
雖然已經關於目前認為的最實際和優選的實施例來描述了本發明，但要理解的是，本發明不局限於公開的實施例，而是相反，本發明意於覆蓋包括在所附權利要求的精神和範圍之內的各種修改和等效布置。
部件列表
10燃氣渦輪發動機
12入口系統
14壓縮機
16燃燒室
18渦輪區段
20發電機
22入口氣室
24雨水罩
26入口過濾間
28入口空氣導管
30控制系統
32熱回收蒸汽發生器
100擴散器
102內部部分
104外部部分
106冷卻流
107外殼
108擴散器外殼
110前排出孔
112後排出孔
114第一構件
116第二構件
118分離線
120密封組件
122突出部分
124凹陷部分
126柔性部分
128外表面
130間隙
132第一端
134第一側
136凹槽
138第二端
140第二側
142葉片。